Влияют ли USB-кабели на звук? Мнение производителей [перевод], статья. Журнал "Stereo & Video"

Бытует мнение, что USB-кабели не могут и не должны влиять на звучание аудиосистемы по причине того, что просто передают нули и единицы из точки А в точку B. Цифровой сигнал. Но некоторые с этим не согласны и слышат разницу в звучании разных USB-кабелей. Поэтому Дэйв Кларк (Dave Clark) решил узнать мнение некоторых производителей кабелей по данному вопросу: что же в кабеле происходит и может ли измениться звук. И вот результаты.

Производителям задавались следующие вопросы:

— На самом ли деле USB кабели просто переносят нули и единицы? А если нет, то что тогда?

— Чем передача музыки по проводу отличается от отправки изображения на печать принтера? Это же всего лишь данные.

— Что же происходит в USB-кабеле такого, что может влиять на передачу звука или данных?

— Отдельно питание и отдельно данные? Помехи?

Звук — это потоковая передача данных

Дэвид Сальц (David Salz), Wireworld

Цифровые сигналы, на самом деле, — прямоугольные импуьсы, которые распознаются при достижении определенного уровня напряжения. Любые отклонения от прямоугольной формы в сигнале легко приведут к ошибкам.

При сохранении изображения или отправке его на печать система коррекции ошибок запрашивает пересылку файла до тех пор, пока не получит у себя полную копию оригинала.

Звук [асинхронный USB] — это потоковая передача данных, от постоянных запросов на повтор случится задержка. Поэтому вместо повторного запроса пакета работает системы коррекции ошибок сигнала, но она может поправить его неверно.

Стандартные потери в кабеле несколько скруглят форму сигнала и сдвинут его, что приведет к ошибкам и потере данных, изменениям в окраске звука и искажениям. Ущерб легко распознать при сравнении стандартных USB-кабелей и специальных референсных адаптеров, в которых разъемы припаяны непосредственно друг к другу. Создание кабеля, который минимизирует эти потери и отклонения от оригинальной формы сигнала — единственное, что может уменьшить число ошибок.

Компьютерные блоки питания излишне шумные, они могут повлиять на четкость звука. В большинстве USB-кабелей силовой провод никак не изолирован от тех, которые передают данные, наводки от него могут исказить сигнал и попасть в ЦАП через 5-вольтовый вход. Поэтому пятивольтовый проводник необходимо изолировать и пустить через фильтр, уменьшающий искажения, или вообще заменить бесшумным блоком питания.

Помехи может генерировать и статика в кабеле. Эти трибоэлектрические искажения также вносят изменения в сигнал, что приводит к джиттеру. Уменьшение таких наводок позволит получить чистый звук, приближенный к референсным подключениям.

Аудиофильская ценность кабеля не коррелирует с его максимальной скоростью

Aqvox

В прошлые годы у меня состоялся интересный разговор с одним инженером очень крупного производителя кабелей, немецкой LEONI Group (более 70 000 сотрудников, оборот 4 млрд Евро). Мы обсуждали с ним производство USB-кабелей.

С самого начала он, хоть и не аудиофил, согласился с тем, что провода влияют на качество звучания. Он знает, как элементы конструкции влияют на передаваемый сигнал. Они тестируют кабели с помощью логических анализаторов на полноту передаваемой информации и визуально, например, с помощью осциллографов Tektronics DPO7000C с функцией анализа USB-сигналов, которые стоят 30 тысяч долларов, или Lecroy QPHY USB для оценки индикаторной диаграммы и передачи кадров. Это необходимо для сертификации USB.

Такое оборудование подходит для тестирования, например, на максимальных для стандарта 2.0 скоростях, но они не имеют настроек, подходящих для анализа параметров на ощутимо меньших скоростях, которые используются для передачи аудиосигнала. Этим объясняется то, что аудиофильская ценность кабеля не коррелирует с его максимальной скоростью.

Воспроизведение музыки идет в реальном времени

Марцин Остапович (Marcin Ostapowicz), JPLAY

Единицы и нули — логические интерпретации электрического сигнала. По USB он передается дифференцированным образом. Для стандарта 2.0 «нулю» соответствуют -10–10 мВ, «единице» — 360–440 мВ. То есть фактически мы имеем дело с очень чувствительным электрическим (аналоговым) сигналом. Высокая пропускная способность приводит к джиттеру и затухание сигнала становится важной проблемой (высокие частоты затухают быстрее, чем низкие на равных дистанциях, потому высокие больше подвержены джиттеру). Деградацию сигнала можно проследить на пути, по которому он следует от передатчика (ПК) к ресиверу (USB-вход в ЦАПе).

Отражения и неточности тактовой частоты дают джиттер, который влияет на индикаторную диаграмму и приводит к тому, что сигнал становится менее распознаваемым.

Воспроизведение музыки идет в реальном времени, поэтому тайминги в данной ситуации очень важны и, соответственно, важно избавиться от влияния джиттера. Мы используем для этого следующие технологии: уменьшаем индуктивное и емкостное сопротивления для того, чтобы импеданс сигнала уменьшался плавно; учитываем поверхностный эффект и используем очень тонкие проводники; используем тройное экранирование для защиты от электромагнитных помех.

Частота процессора в современном компьютере достигает нескольких гигагерц. Он выдает электромагнитное излучение, которое может влиять на сигнал, передаваемый по USB.

Целостность пришедшего файла не проверяется

Джим Од (Jim Aud), Purist Audio Design

Вполне логично рассматривать передаваемый по USB сигнал как последовательность нулей и единиц. Однако все не так просто. Ниже определенного напряжения сигнал сообщает: «это — ноль», а выше определенного уровня говорит, что «это — единица». То есть, единица может быть сигналом в 3,2 вольта, ноль — 2,9 вольта. Так как передача данных происходит быстро и часто, перепутать нули и единицы становится не так уж и сложно. Цифровой сигнал — не просто последовательность кубиков, маркированных нулями и единицами, они находятся в определенном диапазоне допустимых значений, но не являются абсолютно идентичными.

В такой среде важным фактором становится внешнее влияние. Такие вещи, как электромагнитное излучение имеют значение. Представьте, что мобильный телефон зазвонил рядом с компьютером. Хруст и пищание, которое вы слышите — точно тем же образом ведут себя помехи в проводе. Экранирование, использование качественных материалов, даже фильтр — все это может помочь в снижении вмешательства посторонних сигналов.

Длина также влияет. Чем длиннее кабель, тем выше вероятность ухудшения сигнала из-за сопротивления. Поэтому компании переходят на использование более качественных проводников. Например, спецификация стандарта USB 2.0 ограничивает длину кабеля пятью метрами, а спецификация USB 3.0 — тремя. При наличии в конструкции качественных проводников эти трех- или пятиметровые провода можно использовать по полной.

А что насчет проверки ошибок? Цифровой аудиосигнал USB сам по себе. Печать документа или картинки проверяется на ошибки. При отправке документа или картинки также отправляется код с информацией для приемника, содержащей размер пакета. Приемник сравнивает эту информацию с пришедшим файлом.

При передаче звука эта технология не используется. Целостность пришедшего файла не проверяется, потому что USB — это открытый кабель. В него просто вливаются данные, как в шланг с водой, безо всяких битовых проверок, сверки сумм и прочих решений, которые присутствуют, например, в HDMI или при отправке той же самой картинки на печать. Вы получили то, что отправляли? Неизвестно.

Чем выше диапазон частот, тем выше вероятность ошибки. USB-кабели передают сигнал на мегагерцовой частоте; на низких и высоких частотах на сигнал влияют абсолютно разные явления. Поверхностный эффект и отражения начинают воздействовать на передаваемую информацию, равно как и электромагнитное излучение.

Можно купить качественный кабель. Обратить внимание на тот, в котором используются проводники с низким сопротивлением и хорошие фильтры. Отдельная шина питания, с которой сейчас экспериментируют многие производители — тоже неплохая идея. Проверить спецификацию кабеля (2.0 или 3.0?) и посмотреть, укладывается ли он в рекомендуемую длину. Качественные кабели гарантируют чистый, четкий сигнал без потерь или изменений. Они могут существенно снизить или вовсе исключить влияние внешних источников, которое приведет к ошибкам. USB-кабели — важная часть аудиосистем, построенных на взаимодействии с компьютером.

Аудиофилам стоит уделять внимание цифровому парку кабелей

Марк Колес (Mark Coles), Sablon Audio

С точки зрения передачи данных все именно так и есть, однако то же самое можно сказать и о SPDIF-кабелях, а их влияние на звук было доказано уже многие годы назад. Аудиофилам стоит столько же внимания уделять цифровому парку кабелей (USB и Ethernet), как аналоговым и силовым.

Если вы разработчик, вам нужно попасть в сопротивление 90 Ом (а не в широкий диапазон +/- 10%, который позволяет спецификация) и обратить внимание на контроль помех — основные параметры. Качественные проводники позволят существенно улучшить звучание.

Как мне кажется, помехи и джиттер — родственные явления и одинаково неприятны. Стоит учитывать USB приемники/передатчики, которые могут быть созданы не в соответствии со стандартом, а с определенной ценовой категорией.

Нет более нецензурных дискуссий, чем обсуждение воздействия USB-кабеля на сетап

Алекс Свентицки (Alex Sventitsky), WyWires

Цифровые интерфейсы в целом и USB в частности вызывают непонимание у аудиофилов в силу неясной природы воздействия на звучание домашней аудиосистемы.

Многие считают, что цифровые кабели всего лишь переносят нули и единички и потому не может быть слышимой разницы между разными кабелями. Аудиофилы, устроившие тест нескольким кабелям, часто считают, что да, USB-кабели могут влиять на звук системы. По моим наблюдениям, нет более нецензурных дискуссий, чем обсуждение воздействия USB-кабеля на сетап.

Что вообще такое нули и единицы? Это бинарные данные, которые часто называют машинным языком, в котором единица — это «включен», а ноль — «выключен», если проводить аналогию с выключателем света, например. Последовательности нулей и единиц используют для перевода доступной человеку информации на язык, который машина сможет интерпретировать, используя переключатели двух состояний в своей схеме.

Передатчик USB (компьютер или музыкальный сервер) передает последовательности нулей и единиц в предопределенном формате на ЦАП, который преобразует эти последовательности в аналоговый сигнал, а его уже воспринимает человеческое ухо.

Стандарт USB насчитывает 650 страниц текста. Я постараюсь выделить ключевые моменты, которые расскажут о влиянии кабеля.Не существует чисто цифрового сигнала. Цифровые данные представлены в виде электрических сигналов, подходящих под определенные условия. В нашем случае эти условия описаны в стандарте. Передача данных осуществляется посредством двух проводников, D+ и D-, USB понимает нули и единицы как разницу между электрическими сигналами, которые передаются по этим проводникам. Единицей считается сигнал, при котором напряжение на D+ на 200 мВ выше, чем на D-, нулем – сигнал на D+ на 200 мВ меньше, чем на D-.

Последовательность разностей потенциалов, или нулей и единиц, называется пакетом и является асинхронной, то есть после отправки пакета передатчик ждет подтверждения того, что пакет пришел, и только потом посылает следующий.USB-передатчик в компьютере посылает определенные напряжения на проводники D+ и D- в диапазоне от 1,5 до 480 МБит/сек через кабель на ЦАП, и именно так процесс выглядит в очень упрощенном варианте. Простите, инженеры, я не для вас это писал, так что давайте обойдемся без саркастичных комментариев.

USB-кабели передают электрический сигнал, равно как и аналоговые кабели, но на значительно большей частоте (примерно 480 МГц). Как и во всех электронных проводниках, целостность сигнала зависит от базовых параметров схемы, таких, как индуктивность (L), емкость (C), сопротивление (R) и перекрестные наводки (Crosstalk).

Работа проектировщика заключается в уменьшении потенциального вреда, который может быть нанесен электрическому сигналу L, C, R и наводками. Индуктивность — это явление, при котором сигнал, проходя через проводник, формирует вихревой поток, который пытается изменить направление движения тока на противоположное. Емкость говорит о том, что при прохождении сигнала по проводнику какая-то часть энергии уходит из него и хранится в материале, расположенном рядом с проводником, а после вновь вливается в проводник. Сопротивление (или импеданс) показывает, каким образом упадет напряжение на определенном участке длины проводника в силу недостаточного его сечения в определенных обстоятельствах. Наводки — перенос энергии из одного проводника в другой, расположенный неподалеку. Все эти явления приводят к джиттеру — дефекту, который проявляется в конкретный момент времени, необходимый для обеспечения целостности информации, передаваемой на ЦАП. И виновны в нем, как мне кажется, больше всего емкость и наводки.

650 страниц стандарта USB поясняют, как бороться с сопротивлением и наводками, но игнорируют емкость и индуктивность. К сожалению, совет по разработке стандарта сфокусирован на технологии USB исключительно как на технологии передачи файлов, и не рассматривает варианты потоковой передачи аудио- и видеоданных в реальном времени.

Еще одним аспектом USB-кабелей является передача энергии от передатчика до не имеющих питания приемников. Пятивольтовая шина питания также может оказывать негативное воздействие на целостность передаваемых по D+ и D- сигналов в случае отсутствия качественной изоляции.

В конце концов, следует поговорить и о таких явлениях, как радиопомехи и электромагнитные помехи. Это внешние эффекты, которые могут влиять на передаваемый по USB сигнал. В спецификации 1.1 и выше сказано о необходимости подключения RFI/EMI экранировки к разъемам на любом из концов кабеля. ПО USB 2.0 проверит наличие непрерывного соединения между точками A и B в процессе опознавания устройствами друг друга.

Вся разница во времени, не в данных

Джордж Кардас (George Cardas), Cardas Audio

В дешевых кабелях сигнал сильнее скругляют — и это одна из причин разницы в звучании USB-кабелей. Недостаток изоляции между силовыми жилами и проводами передачи данных ужасен. Он приводит к появлению нескольких видов помех.

В цифровой части — это нули, единицы и тайминги — здесь все не так просто, но в целом кабели не являются просто передатчиками информации, потому как диэлектрическая постоянная в них не такая уж и постоянная и больше единицы. Это приводит к нелинейности скорости распространения сигнала, потому как число диэлектрической проницаемости пропорционально числу единиц в последовательности, поэтому если вы не сможете добиться той же скорости распространения в проводнике, что и в диэлектрике, то и временной интервал, в котором другой конец кабеля получает пересланные данные, будет непостоянным — а это приводит к джиттеру, который влияет на тайминги и так далее. Мы очень подвержены ошибкам в тайминге.

Отправка файла фактически ничем не отличается от передачи фотографии — разница в том, что фотография передается не в реальном времени, в отличие от звука. Вся разница во времени, не в данных.

Материалы должны быть чистыми и надежными — диэлектрики важны, точнее, важна их диэлектрическая постоянная, которая должна соответствовать таковой у проводника. Я предпочитаю PFA, у него хороший коэффициент рассеяния. Металлы должны быть мягкими и чистыми, огромной разницы между параметрами серебра и меди нет, кроме как в геометрии скручивания, но я предпочитаю серебро.

Цифровые кабели — это аналоговые кабели

Джо Коэн (Joe Cohen), Lotus Design Group

Ответ простой: цифровые кабели — это аналоговые кабели. Они подвержены тем же проблемам, что и фонокабели, и межблочные провода. Материалы и технологии изготовления влияют на поведение кабеля, как с самогенерированным шумом, так и с внешним.

Идеальный цифровой провод вообще не будет подвержен этим искажениям. Высокие частоты, сгенерированные в цифровой среде, проходят сквозь все популярные ныне варианты защиты и требуют недюжинных мер для их подавления.

Цифровой сигнал должен добраться до ЦАПа квадратным

Джо Рейнольдс (Joe Reynolds), Nordost

Существует множество факторов, которые стоит учитывать при разработке USB-кабелей высокого качества. Для того чтобы достигнуть идеальной производительности необходимо уменьшить помехи, наводки и джиттер в кабеле. Для этого следует учитывать, опять же, некоторые вещи. Ошибки тайминга, которые можно замерить, выдают артефакты, заметные при прослушивании. Цифровой сигнал, который является прямоугольным импульсом, должен добраться от источника к ЦАПу максимально квадратным. Если полоса пропускания кабеля недостаточно широка или если есть какие-то помехи, сигнал на углах будет сглажен и его фронты будут не такими квадратными и чистыми, как необходимо. Это создаст проблемы в декодирующей схеме ЦАПа, что приведет, опять же, к заметным при прослушивании артефактам.

Самым важным фактором в разработке кабеля является высокая геометрическая точность структуры проводника. Это приводит к потерям сигнала на длинных дистанциях. На это влияет материал, из которого сделана оплетка проводника. В дешевых кабелях используется пластик с высокой емкостью, достаточно быстро «съедающий» сигнал на коротком расстоянии.

Качественное экранирование, которое защищает кабель от внешних помех, очень важно. Также нужно отделять силовые линии от передающих сигнал. В нашей компании мы используем двойную экранировку покрытой серебром плетеной изоляцией и дополнительным слоем фольги.

Мы, аудиофилы, натренированы слышать разницу в звучании разных проводов

Руб Вудлэнд (Rob Woodland), Curious Cables

Я пришел к проектированию USB-кабелей с несколько отличным от большинства проектировщиков видением. Я не инженер, но аудиофил с опытом разработки и производства высококлассных коннекторов.

Я провел много времени, исследуя USB-кабели, и выбрал лучше продукты от разных производителей. И я пришел к выводу, что спецификация USB может быть применена для создания кабелей с высокой скоростью передачи, но на качество передаваемого звука это никак не влияет.

Лучшее объяснение предоставил Чарли Хансен из Ayre Acoustics. Он описал цифровой сигнал как пульсацию напряжения, изображающую нули и единицы — то есть это аналоговый сигнал.

Поэтому первым делом нужно научиться смотреть на USB-кабель как на аналоговый. В этом случае он наиболее схож с балансным межблочным кабелем — оба поддерживают режим дифференциальной передачи данных.

В чем отличие передачи музыки от пересылки картинки? А разницы может и не быть! Просто мы, аудиофилы, натренированы слышать разницу в звучании разных проводов.

На звук в USB-кабеле может влиять все. Компьютерный звук — то еще поле боя, начиная с недружелюбного компьютера/сервера и заканчивая радио- и электромагнитными помехами в процессе передачи данных. Помехи, больше помех!

Внутри кабеля помехи создают пятивольтовая жила питания и провод заземления. Как с этим справляться — в этом и разница многих подходов к проектированию. Материалы оплетки могут в себе накапливать заряд и высвобождать его, и влиять на скорость распространения сигнала. О самом коннекторе также не стоит забывать.

Разделить питание и данные — логичный ответ на помехи от пятивольтовой жилы. Подальше его от проводников передачи данных, экранировать хорошо. В Curious используют экранированный мини-коаксиальный провод. Отлично работает. Каждый элемент конструкции нужно принять во внимание, если вы действительно хотите добиться идеально качественного звука.

Как проектировщик, начните с самого начала — выберите материал для проводящих сигнал жил. А все проводники звучат различно. Медь или серебро? Витой, Litz или сплошной? Какое сечение? Слушать обязательно. Оплетку и диэлектрик тоже нужно подбирать. А дальше уже думать над питанием и заземлением. И реализацией.

Что-то вроде вывода

Что мы в итоге имеем: помехи, тайминг, сопротивление, ошибки. Ошибки. Занятно, что многие сошлись во мнениях.

Я слышу разницу в звучании кабелей. Разница заметна в конкретных местах, а не в целом. Она едва заметна. Но очень важная.

Конечно, вы можете не услышать разницу в звучании или, наоборот, отыскать разницу, только чтобы поспорить. Ведь USB-кабель не так-то прост на первый взгляд, а для кого-то, и на первое прослушивание. А вы как считаете?

Источник: Why USB Cables Can Make a Difference

Подготовлено по материалам журнала "Stereo & Video", февраль 2016 г. www.stereo.ru